La fibre optique et le guidage de la lumière

Les types de fibres optiques

 

1) Fibre multimode

Seuls certains angles conduisent à des modes. Il est évident que la vitesse d’un mode dépend de l’angle. Le terme « multimode » signifie que plusieurs modes peuvent être guidés. Un nombre typique pour une fibre à saut d’indice est de 1000 modes (un mode correspond à un faisceau).

a) A saut d’indice.

figure 4 : fibre à saut d'indice

C’est le type de fibre le plus simple, directement issue des applications optiques traditionnelles.La fibre à saut d’indice n’est presque plus utilisée de nos jours (son débit est limité à 50 Mb/s). En effet, elle disperse le signal. Dans cette fibre, le cœur est homogène et d’indice n1. Il est entouré d’une gaine optique d’indice n2 inférieur à n1. Ces indices sont peut différent et doivent être de l’ordre de 1,5. Quant à la gaine optique, elle joue un rôle actif dans la propagation, et ne doit pas être confondue avec le revêtement de protection déposés sur la fibre. Le rayon est guidé par la réflexion totale au niveau de l’interface cœur-gaine, sinon il est réfracté dans la gaine. Examinons comment est appliquée la loi de Descartes dans ce type de fibres.
Pour le cas du premier faisceau lumineux (le noir), son faisceau réfracté sera dans le prolongement de la gaine et de la fibre. Donc ce dernier ne sera pas perdu puisqu’il est dans le prolongement du cœur.
Le faisceau réfléchi, lui, se propagera dans le cœur.
Pour le second, le rouge, du fait que son angle de départ est différent de celui du premier, son faisceau réfracté ne sera plus dans le prolongement de la fibre, par conséquent il va entrer dans la gaine, c’est ici quelle intervient, elle va permettre pour certain faisceau de « récupérer » leurs faisceaux réfractés.
La capacité de transmission de ce type de fibre est d’environ 100 Mbits/s. Cette valeur correspond également à la bande passante. On peut également exprimer la bande passante en Mhz*km. Ici pour la fibre à saut d’indice elle est de 22 Mhz*km. Cette capacité est assez faible car chaque rayon doit parcourir une distance différente. Par conséquent il faut à l’extrémité « attendre » que tous les faisceaux soient arrivés.

b) A gradient d’indice

Leur cœur, contrairement aux fibres à saut d’indice, n’est pas homogène. Leur cœur est en fait constituer de plusieurs couches de verres dont l’indice de réfraction est différent à chaque couche et l’indice de réfraction diminue de l’axe jusqu’à la gaine. Le guidage est cette fois dû à l’effet du gradient d’indice. Les rayons suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale. La gaine n’intervient pas directement, mais élimine les rayons trop inclinés. L’avantage avec ce type de fibre est de minimiser la dispersion du temps de propagation entre les rayons.
La valeur de l’indice décroît selon la loi suivante :
                          n(r)= n1*(1-2*Δ*)

Avec :
Δ = (n1² - n2²)/(2*n)
n1 : Indice de réfraction du cœur.
n2 : Indice de réfraction de la gaine.
r : distance à l’axe.
a : rayon du cœur.
α : l’exposant de profil d’indice.

La bande passante de ce mode de fonctionnement est de 500 Mbits/s ou de 1 Ghz*km. Cette capacité est plus élevée que celle du saut d’indice car la distance à parcourir des rayons est plus faible, donc il est possible d’augmenter en fréquence.

2) Fibre monomode.

figure 6 : Fibre monomode

Le but recherché dans cette fibre est que le chemin que doit parcourir le faisceau soit le plus direct possible. Pour cela on réduit fortement le diamètre du cœur qui est dans la plupart des cas inférieur à 10μm. La dispersion modale est quasi nulle. Comme on ne casse pas le faisceau lumineux la bande passante est donc augmentée, environ 100 Ghz*km ou de 1000 Mbits/s. La fibre monomode classique est à saut d’indice. Son diamètre permet la propagation d’un seul mode, le fondamental ; comme un seul mode se propage il n’y a pas de différence de vitesse contrairement aux fibres multimodes. Du fait de ces précieux avantages, elle a pris une ampleur considérable dans les transmissions sur de grandes distances.

 

3) Bilan sur les différentes fibres optiques

Etant donné qu’il a différentes structures de fibres, elles ont par conséquent des capacités et des caractéristiques différentes.
Le tableau suivant donne un bref récapitulatif des avantages et des inconvénients de chaque structure :